JP5762555B2 - 粒子線治療システムおよびそのビーム位置補正方法 - Google Patents
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Description
また、本発明の粒子線治療システムのビーム位置補正方法は、荷電粒子ビームを加速する加速器系と、この加速器から出射された高エネルギービームを照射位置まで輸送するビーム輸送系とを有し、前記ビーム輸送系に2個のステアリング電磁石とこれに対応する2個のビーム位置モニタを備えた粒子線治療システムのビーム位置補正方法において、試験照射時に上流側ステアリング電磁石と下流側ステアリング電磁石の間であって下流側ステアリング電磁石の近くに配置した上流側ビーム位置モニタにより時間によりビーム位置が変動しない上流側ステアリング電磁石の電流パターンデータを保存し、次に、前記保存した電流パターンデータで上流側ステアリング電磁石電流を調整し、下流側ステアリング電磁石の下流に配置したビーム位置モニタによりビーム位置を観測し、下流側ステアリング電磁石電流を変化させて、時間によりビーム位置が変動しない下流ステアリング電磁石の電流パターンデータを保存し、さらに、実照射時には、保存した電流パターンデータを、周期的に運転する前記加速器に同期して、上流側ステアリング電磁石と下流側ステアリング電磁石に流すことにより、ビームの位置とビームの角度を変動しないようにしたことを特徴とするものである。
本発明の実施の形態1による粒子線治療システム100の概略構成を図1に基づいて説明する。本実施形態の粒子線治療システム100は、イオン源(図示せず)や入射器11等からなる入射系1と、入射器11から出射された荷電粒子ビームを周回させることにより必要なエネルギービームまで加速するシンクロトロン等の加速器系2と、このシンクロトロン2により加速されたエネルギービームを患者近傍の照射装置Tまで輸送するビーム輸送系3とからなっている。
図5(a)は上記ビーム位置におけるx軸成分のみ表示しているがy軸成分も存在することは言うまでもない。
以上は試験照射時の準備操作であり、更に、実照射時には、保存した各電流パターンを、周期的に運転するシンクロトロンに同期して上流側ステアリング電磁石と下流側ステアリング電磁石に流すことで、ビームの位置とビームの角度を変動しない状態で患者に照射して治療を行うものである。
図6は機器配置誤差などに伴う補正電流パターン信号M(t)に、機器の周期誤差変動に伴う補正電流パターン信号L(t)を足し合わせる加算器10と、この加算信号に比例した電流Is(t)を出力できる電源20と、ビーム軌道にキックを与えることのできる別のステアリング電磁石33から構成される。
図7の(A)は、ステアリング電磁石による補正を全く行われないときのビーム挙動を示す図であり、加速器出射ビーム電流を上段に、ステアリング電磁石電流Is(t)を中段に、照射位置におけるビーム位置(x(t),y(t))を下段にそれぞれ示しており、図7の(B)、(C)においても同様である。
図7の(C)は、上記M(t)+L(t)の補正を実施した場合のビーム挙動を示した図で、上記過程で求めたステリング電磁石電流L(t)を、M(t)に足し合わせたM(t)+L(t)をステアリング電磁石に流すことにより、ビーム位置(x(t),y(t))の変動は0になる。
本発明の実施の形態2による粒子線治療システム100の概略構成を図10に基づいて説明する。本実施形態の粒子線治療システムは、実施の形態1で説明したと同様のシステム構成からなっているが、実施の形態1ではビーム輸送系3において2個のステアリング電磁石とこれに対応する2個のビーム位置モニタを使用した例を示したが、本実施の形態では1個のステアリング電磁石33とこれに対応する1個のビーム位置モニタ34を使用した点が相違している。なお、上記1個のビーム位置モニタ34は、試験照射(準備段階)において、照射位置T上に設置される場合を示している。
ステップS2ではステアリング電磁石電源41において、検出信号X=0となるステアリング電磁石33のキック角を算出する。
図14は本発明の実施の形態3による粒子線治療システムの準備段階におけるビーム軌道制御の他の方法を説明する模式図であり、図14(a)は外乱がない時のビーム軌道の一例を示し、図14(b)は外乱がある時のビーム軌道を示している。図14(c)はこの実施の形態による補正方法を示している。実施の形態1、2と同一部品はその説明を省略するが、最終段の偏向電磁石31の下流に設置したビーム位置モニタ34によりシンクロトロンの周期的に加速・出射されたビームの動きを観測するものとする。
図15は本発明の実施の形態4による粒子線治療システムの準備段階におけるビーム軌道制御の更に他の方法を説明する模式図であり、図15(a)は外乱がない時のビーム軌道の一例を示し、図15(b)は外乱がある時のビーム軌道を示している。最終段の偏向電磁石31の下流であって最終段の四極電磁石32の後段に設置したビーム位置モニタ34によりシンクロトロンの周期的に加速・出射されたビームの動きを観測するものとする。
本発明の実施の形態5による粒子線治療システムの概略構成を図16に基づいて説明する。本実施形態の粒子線治療システム100は、基本的には図1に示す実施の形態1と略同一構成であり、相違する点はステアリング電磁石33a、33bとビーム位置モニタ34a、34bの挿入位置のみである。すなわち、実施の形態1ではビーム輸送方向に対して第1のステアリング電磁石33a、第1のビーム位置モニタ34a、第2のステアリング電磁石33b、第2のビーム位置モニタ34bの順に配置されていたのに対し、本実施の形態では第1のステアリング電磁石33a、第2のステアリング電磁石33b、第1のビーム位置モニタ34a、第2のビーム位置モニタ34bの順に配置されている。
17(a)はこの発明の制御を行わない場合のビーム軌道を示し、図17(b)はこの発明の制御を行った場合のビーム軌道を示している。なお、図中、zは照射位置Tに向かって進行する理想的なビーム軸線を、ST1は時間t1でのビーム軌道を、ST2は時間t2でのビーム軌道を示している。以下これを用いて周期的に変化するビーム位置変動・角度変動の影響を補正するためのステアリング電磁石のキック量(角)を求める原理を説明する。
ステアリング電磁石とビーム位置モニタをそれぞれ少なくとも2台必要とするのは、位置・傾き共に0にする補正ができるようにするためである。
次にステップS2において、X1とX2を共に0にできるような各時刻におけるキック角を調整支援端末である計算機(図示していない)で連立方程式を解くか、もしくは反復法を適用して算出する。
このような実施の形態でも実施の形態1と同様の効果が得られ、かつ、建屋配置などの制約条件によって、機器配置に制約条件が発生するため、この実施の形態の方が有利な場合もある。
粒子線治療システムにあっては、一般的にビーム輸送系において荷電粒子ビームの進行方向を変更する偏向電磁石やステアリング電磁石、及び荷電粒子ビームを収束、発散させてビームの幅を制御する四極電磁石等がそれぞれ複数個設置される。従ってこれらの装置を収容するスペースはかなり大きなものとなり、これら装置を収容するための充分な建屋面積を必要とする。例えば偏向電磁石だけでも大きなものは、その高さが2.5m、偏向半径が1.5mに及ぶものがあり、これら偏向電磁石をその使用目的によって複数個設置する必要が生じることがある。このため大きな建屋を確保できない各種設備においては、上記偏向電磁石を一つでも少なくできれば粒子線治療システムの小型化に大きく貢献し、また配置上の制約も受け難くなる。
図において、図1、図10と同一あるいは相当部分には同一符号を付しており、5は患者の治療室となるガントリーを示している。図中、加速器系2の出射用偏向電磁石30から出射されたビームはガントリー5に達するまでのビーム輸送系3においては周知の四極電磁石と偏向電磁石との組合せで運動量分散関数の相関を解消してはおらず、四極電磁石32とステアリング電磁石33a、33bのみにより運動量分散関数の相関を解消するものとして実際に近い状態で示している。
これは上述の加速器中の電磁石の磁場や高周波電力の周期的変動等に起因すると考えられ、実施の形態1〜5で説明したように、これらの加速器の運転周期に連動した周期的変動をビーム位置モニタ上で監視し、ビーム位置モニタの出力の動的変動を打ち消すように軌道補正を行うことで、これらの周期的変動、すなわち時間と運動量分布の強相関を解消することができる。
シンクロトロンから出射されたビームは、一般にx方向にも、y方向にも運動量分散関数を持つ。図20(a)(b)は、設計軌道に沿った軸s(横軸)の距離(m)に対するx軸あるいはy軸の運動量分散関数(縦軸)、すなわち設計軌道からのずれx(mm)、y(mm)を示す図であり、時間とともに運動量分散関数が大きく変化している状態を示している。図の下側(t=0)が出射初めで、時間とともに上側の軌跡を辿るようになる。図ではt=1までの時間間隔として示している。設計軌道に沿った軸s(m)は加速器系2の出射口を0とし、ガントリー5入り口までの距離を15mとした場合の例であり、図の下部に示す大きい四角は出射用偏向電磁石30を表し、上半分の小さい四角は収束四極電磁石、下半分の小さい四角は発散四極電磁石を表している。
一方、y方向ではs =13mの位置でほぼビームが動かないため、η=0となっているが、傾きは時間とともに変化しているので、やはりη’≠0である。
粒子線治療装置では、回転するガントリー入り口やアイソセンタ位置で運動量分散関数がη=0、η’=0となっていることが望まれる。
5 ガントリー、 10 加算器、 11 入射器、 20 電源、
30、31 偏向電磁石、 32 四極電磁石、
33、33a、33b ステアリング電磁石、
34、34a、34b ビーム位置モニタ、
41、42 ステアリング電磁石電源、
100 粒子線治療システム。
Claims (5)
- 荷電粒子ビームを加速する加速器系と、この加速器から出射された高エネルギービームを照射位置まで輸送するビーム輸送系とを有する粒子線治療システムにおいて、前記ビーム輸送系に2個のステアリング電磁石とこれに対応する2個のビーム位置モニタを備え、第1のビーム位置モニタは第2のステアリング電磁石の前方に設置され、その検出信号により第1のステアリング電磁石の励磁電流を調整すると共に、第2のビーム位置モニタは前記第2のステアリング電磁石の後方に設置され、その検出信号により前記第2のステアリング電磁石の励磁電流を調整するようにされ、さらに、周期的に変動するビーム位置変動を補正する補正電流パターン信号を、周期的に運転する前記加速器に同期して前記第1及び第2のステアリング電磁石にそれぞれ対応して加えるようにしたことを特徴とする粒子線治療システム。
- 前記粒子線治療システムは、前記第1のステアリング電磁石に対応する、第3のビーム位置モニタを更に備え、前記第1のビーム位置モニタを前記第2のステアリング電磁石の前方に近接して設置され、第3のビーム位置モニタを前記第2のステアリング電磁石の後方に近接して設置し、前記第1および第3のビーム位置モニタの計測値から前記第2のステアリング電磁石の位置を計算により求めることを特徴とする請求項1に記載の粒子線治療システム。
- 荷電粒子ビームを加速する加速器系と、この加速器から出射された高エネルギービームを照射位置まで輸送するビーム輸送系とを有し、前記ビーム輸送系に2個のステアリング電磁石とこれに対応する2個のビーム位置モニタを備えた粒子線治療システムのビーム位置補正方法において、試験照射時に上流側ステアリング電磁石と下流側ステアリング電磁石の間であって下流側ステアリング電磁石の近くに配置した上流側ビーム位置モニタにより時間によりビーム位置が変動しない上流側ステアリング電磁石の電流パターンデータを保存し、次に、前記保存した電流パターンデータで上流側ステアリング電磁石電流を調整し、下流側ステアリング電磁石の下流に配置したビーム位置モニタによりビーム位置を観測し、下流側ステアリング電磁石電流を変化させて、時間によりビーム位置が変動しない下流ステアリング電磁石の電流パターンデータを保存し、さらに、実照射時には、保存した電流パターンデータを、周期的に運転する前記加速器に同期して、上流側ステアリング電磁石と下流側ステアリング電磁石に流すことにより、ビームの位置とビームの角度を変動しないようにしたことを特徴とする粒子線治療システムのビーム位置補正方法。
- 時間によりビーム位置が変動しない下流ステアリング電磁石の電流パターンデータとして、機器の周期誤差変動および/あるいは呼吸同期信号に伴う機器による周期的誤差変動を含む補正電流パターン信号を使用することを特徴とする請求項3に記載の粒子線治療システムのビーム位置補正方法。
- 荷電粒子ビームを加速する加速器系と、この加速器から出射された高エネルギービームを照射位置まで輸送するビーム輸送系とからなる粒子線治療システムのビーム位置補正方法において、ビーム輸送系に2個のステアリング電磁石とこれらの後方に2個のビーム位置モニタを備え、第1のビーム位置モニタによって各タイミングtにおけるビーム位置の検出信号X1(t)を検出すると共に第2のビーム位置モニタによって各タイミングtにおけるビーム位置の検出信号X2(t)を検出し、次に、X1とX2を共に0にできるような各時刻におけるキック角を算出し、続いて、算出されたキック角に応じた電流パターンI1(t)とI2(t)を作成し、これをそれぞれ上記2個のステアリング電磁石の励磁電流として出力し、ビーム位置を最終的にビーム軸上に来るように矯正することを特徴とする粒子線治療システムのビーム位置補正方法。
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